矿山井下巷道掘进光面爆破设计

摘要：为更好保障巷道掘进施工安全，提升施工效率，拓宽光面爆破技术应用范围，文章以某巷道掘进施工为对象，就光面爆破技术在不稳固岩体巷道掘进中的应用展开探究。

关键词：不稳固岩体；巷道掘进施工；光面爆破；设计

1 工程概况

1.1 巷道概述

该巷道位于-200米中段50#～54#勘探线之间，用于后续新开工作面、中段运输巷和斜坡道等，巷道断面为1/4三心拱，设计净宽与净高分别为3.2m和2.9m，断面积8.768m2。巷道支护选用锚喷支护，喷层厚度50mm，所以巷道实际掘进宽度3.3m，掘进高度2.95m，断面掘进面积9.17m2。

1.2 巷道地质概述

依据工程勘探可知，施工段巷道围岩以巨厚层状生物礁灰岩为主，属于完整性较好、抗压强度较高的硬质岩石。区域岩体局部存在块状和碎裂结构，岩石碎裂、节理发育，区域稳定性较差。

2 爆破参数的确定

爆破参数的选取对于光面爆破效果有着直接的重大影响，一直是光面爆破设计的关键核心所在。一般而言，其参数的选取多与施工地质条件及断面形状尺寸等相关。此次该巷道掘进施工选取全断面一次爆破，开挖为拱部弧形布孔开挖，钻眼设备为具备较大冲击力的YT-24气腿式风动凿岩机，配用直径40mm的一字型和梅花型钎头以及长度2.5m的钻杆。此外依据炸药性能及巷道围岩特征，选取2号岩石乳化炸药进行爆破施工，药卷规格为25mm×200mm和32mm×200mm两种类型。具体爆破参数确定如下所述：

2.1 炮孔深度（L）与炮孔直径（d）

炮孔深度作为影响爆破掘进效率的重要参数，直接关系着每班掘进施工循环次数。一般而言，炮孔深度不宜过大，多取巷道断面高度或宽度的0.7～0.85倍。在此，结合凿岩机使用特性及巷道实际状况，炮孔深度L=2.3m。

炮孔直径通常由炸药药卷参数及凿岩机特性共同决定，此次施工选用2号岩石乳化炸药，药卷最大直径为32mm，为提升钻孔效率、确保装药顺利，炮孔直径取d=40mm为宜。

2.2 周边孔间距（E）与周边孔密集系数（m）

周边孔间距直接关系着爆破后巷道围岩壁面的平整度，依据炮孔内爆轰气体静压分布规律与巷道轮廓裂隙贯通成型原理，周边孔间距E可有下式（1）求得：

（1）

式中 为周边孔间距，mm； 为炮孔直径，mm； 为岩石抗压强度，MPa； 为岩石抗拉强度，MPa； 为泊松比，常数； 为衰减指数，常数。经计算，E取值为450mm。

周边孔密集系数一般与巷道围岩松散度相关，取值一般介于0.7～1之间，当岩石松软时m取值较小，反之较大。本次施工巷道围岩破碎度不高，因此m取值为0.75。

2.3 最小抵抗线（W）

最小抵抗线即光爆层厚度，其同周边孔间距有着密切联系，两者关系如下式（2）所示：

（2）

式中W为最小抵抗线（光爆层厚度），mm；m炮孔密集系数，常数。经计算，最小抵抗线W取值为600mm。

2.4 装药密集度

装药密度是指光爆眼中单位长度装药量，装药量应当确保充分崩落光爆层岩体的同时保证相邻两炮眼间裂隙贯通且不对围岩造成破坏。具体装药量可依据下述经验公式（3）求得：

（3）

式中q光为装药密度，kg/m；r0为炮眼半径，m；E周边孔间距，m；f为岩石坚固系数，常数；D为炸药爆轰速度，Km/s。

经过计算，装药密集度q光取值为0.22。

2.5 装药不耦合系数

为降低爆破冲击对孔壁的损坏，选用不耦合装药，以确保爆轰气体具备一个膨胀过程，从而降低爆炸载荷的破坏效果。依据施工现场地质条件、钻孔直径以及爆破炸药，选用32mm炸药卷进行周边孔爆破，不耦合系数可通过下式（4）求得：

（4）

式中K为装药不耦合系数，常数；db为炮孔直径，mm；dc为药卷直径，mm。

经计算，不耦合系数K取值为1.25

2.6 掏槽形式

2.6.1 实验比较

掏槽形作为影响爆破质量的重要因素之一，是决定单次循环炮孔利用率的关键所在。在具体掏槽形式的选择上必须充分考虑地质条件、施工条件、经济效益等诸多因素。在此结合该巷道具体情况，提出复合掏槽与螺旋掏槽两种掏槽形式，并对其进行比选。

依据所设计掏槽布置方案，对其进行6次爆破实验，实验结果如下表1所示：

2.6.2 实验分析

通过实验可知，复合掏槽爆破后巷道壁面呈现不规则现象，局部存在残余孔，爆破后大块出现率较高，超欠挖量未达到指标，且炮孔利用率偏低，炸药消耗大，循环用时较长。除此之外，复合掏槽要求炮孔深度必须一致，掏槽孔落于同一平面，这使得施工难度大幅提升。而采用循环掏槽进行施工，断面爆破后壁面规则，平整度高，爆破后块度适中，超欠挖量达标，符合设计标准。与此同时，螺旋掏槽法循环用时、炮孔利用率、炸药消耗等参数均优于复合掏槽法。此外，螺旋掏槽施工工艺简洁，工人易掌握，炮眼凿挖质量有保障。有鉴于此，在不稳固岩层巷道掘进施工中，掏槽形式选用螺旋掏槽，具备优良的爆破效果，本次施工应选择螺旋掏槽进行炮孔布设。

综上所述，选择螺旋掏槽进行炮孔布设，爆破最优参数如下表2所示：

3 爆破施工效果分析

该巷道经过三十天施工，完成巷道掘进量135m，各炮眼利用率均在85%以上，个别炮眼利用率甚至可达93%以上。整个巷道围岩虽为不够稳固岩层，破碎性较高，但巷道爆破后成型质量优良，超挖量不超过100mm，不存在欠挖现象。

由此爆破施工效果可知，全断面一次光面爆破在不稳固岩体巷道掘进中具备优良的应用功效：有效的光面爆破不仅能够大幅降低巷道掘进超挖量，确保爆破后巷道岩壁光滑平整，还能够显著降低对巷道围岩的扰动破坏，增强巷道的完整稳定，降低巷道岩块（松石）掉落与冒顶、片帮的风险，提升巷道施工安全性。除此之外，将光面爆破技术应用在不稳固岩体巷道掘进施工中还可减少锚网支护等安全措施，大幅提升掘进施工工效，减少炸药消耗，降低施工成本，从而实现矿山经济效益与社会效益的双赢。

参考文献：

[1]王克义. 红一煤矿巷道断面形状选择及围岩控制技术研究[J]. 煤炭技术，2015，06：67-70.

[2]种波凯，宋成义，张新建. 中深孔光爆技术在硬岩巷道中的应用研究[J]. 山东煤炭科技，2014，11：41-42+44.